Le KAIST identifie une solution pour des batteries de véhicules électriques à recharge plus rapide et à plus grande autonomie
Une équipe de recherche utilise un jumeau numérique en 3D pour mettre en évidence les mécanismes de dégradation localisés lors d'une recharge rapide
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Les véhicules électriques peuvent-ils se recharger rapidement sans compromettre la longévité de la batterie ? Une équipe de recherche du KAIST a identifié une solution potentielle grâce à un « jumeau numérique » en trois dimensions, c'est-à-dire un modèle virtuel qui reproduit la microstructure interne d'une électrode de batterie réelle. L’équipe a découvert que les performances de recharge rapide et le comportement de dégradation dépendent non seulement des quantités de matériaux et de l’espace poreux au sein de l’électrode, mais aussi de leur répartition.
Le KAIST (présidé par Choongsik Bae) a annoncé le 24 août qu’une équipe de recherche dirigée par le professeur Kang Taek Lee du département de génie mécanique, en collaboration avec la professeure EunAe Cho du département de science et d’ingénierie des matériaux, avait mis au point un jumeau numérique en 3D à partir de la microstructure et des spécifications d’une anode en graphite disponible dans le commerce. À l’aide de ce modèle, les chercheurs ont analysé de manière quantitative les mécanismes de dégradation localisés qui surviennent lors d’une charge rapide.
L’anode d’une batterie lithium-ion est composée de graphite, qui stocke le lithium ; d’un liant qui maintient les particules de graphite ensemble ; et d’un espace poreux rempli d’électrolyte dans lequel circulent les ions lithium. Lorsqu’une batterie est chargée, les ions lithium pénètrent dans les particules de graphite de l’anode où ils sont intercalés et stockés. Mais si la charge est trop rapide, certains ions lithium ne parviennent pas à pénétrer à temps dans le graphite et s’accumulent alors sous forme de lithium métallique à la surface — un phénomène appelé « dépôt de lithium » (Li plating). Ce phénomène s’apparente à des voitures qui s’entassent à l’entrée d’un parking lorsque trop de véhicules arrivent en même temps et ne parviennent pas à entrer assez rapidement. Si cela se prolonge, cela peut nuire à la fois aux performances et à la durée de vie de la batterie.
Pendant la charge, un mince film protecteur se forme également à la surface du graphite : il s’agit de la couche dite d’interface électrolytique solide (SEI). Une couche SEI correctement formée est nécessaire, mais si elle devient trop épaisse ou irrégulière, elle peut nuire aux performances de la batterie. De plus, lorsque le lithium pénètre dans les particules de graphite pendant la charge, celles-ci se dilatent et exercent une pression sur le matériau environnant, créant ainsi une contrainte mécanique à l’intérieur de l’électrode.
Ces processus se produisent simultanément à l’échelle microscopique, ce qui rend leurs effets individuels difficiles à distinguer expérimentalement. Les modèles de calcul existants se sont également appuyés principalement sur les propriétés moyennes de l’électrode, ce qui complique la prise en compte de la structure interne complexe et du comportement dépendant de l’emplacement au sein de l’électrode.
Pour remédier à cela, l’équipe de recherche a construit un « jumeau numérique 3D » de l’électrode de batterie en s’appuyant sur la structure d’une anode en graphite commerciale existante. L’équipe a reconstitué les particules de graphite, le liant qui les maintient ensemble et les pores remplis d’électrolyte à travers lesquels circulent les ions lithium — le tout en trois dimensions.
À l’aide de cette électrode virtuelle, les chercheurs ont fait varier l’épaisseur de l’électrode, sa porosité et la répartition du liant, puis ont simulé une charge rapide afin d’analyser le déplacement des ions lithium. Ils ont également examiné où se produisait le dépôt de lithium, comment se formait le film protecteur et quelles parties de l’anode subissaient des contraintes concentrées.
Les résultats ont montré que même lorsque les capacités de charge globales étaient similaires, le comportement de dégradation interne des anodes pouvait varier considérablement en fonction de la disposition du liant et de l’espace poreux à l’intérieur de l’électrode.
Dans les anodes de 50 micromètres (μm), la différence de capacité de charge due à la répartition du liant était inférieure à 4 %, ce qui signifie qu’il y avait peu de différence apparente en termes de performances de charge. À l’intérieur de l’électrode, cependant, les emplacements où le lithium était intercalé et ceux où se produisaient des réactions dégradant les performances différaient clairement.
En particulier, lorsque le liant était concentré près du séparateur, l’espace poreux disponible pour le transport des ions lithium diminuait, rendant plus difficile le déplacement des ions lithium à travers l’anode. Ce phénomène s’apparente à la façon dont une route plus étroite provoque des embouteillages. Dans ce cas, le dépôt de lithium près du collecteur de courant a augmenté de plus de 10 % par rapport à l’anode dont le liant était réparti de manière homogène.
À l’inverse, lorsque le liant était réparti de manière relativement homogène dans toute l’électrode, le transport des ions lithium devenait plus uniforme, et le film protecteur se formait également de manière plus homogène.
Cette différence s’accentuait à mesure que l’électrode s’épaississait. Dans les anodes de 83 μm d’épaisseur, l’écart de capacité de charge entre les deux types de répartition du liant s’est creusé pour atteindre environ 18 %. Cela suggère que la fabrication d’électrodes plus épaisses pour stocker davantage d’énergie nécessite de concevoir avec soin non seulement la quantité de matériau utilisée, mais aussi la manière exacte dont il est disposé à l’intérieur.
L'emplacement des espaces poreux a également eu une incidence sur les contraintes subies par l’électrode. Là où l’espace poreux était suffisant, la zone environnante pouvait accueillir les particules de graphite à mesure qu’elles se dilataient pendant la charge. Là où l’espace poreux était insuffisant, les particules de graphite n’avaient pas la place de se dilater, ce qui concentrait les contraintes dans des zones spécifiques.
Grâce à cette étude, l’équipe de recherche a proposé une nouvelle orientation de conception pour les batteries lithium-ion à charge rapide : plutôt que de se contenter d’examiner la quantité de liant et d’espace poreux contenue dans une électrode, les chercheurs devraient également prendre en compte leur emplacement et leur répartition.
L’utilisation d’un jumeau numérique en 3D permet d’examiner les problèmes potentiels à l’intérieur d’une batterie dans un espace virtuel avant de fabriquer et de tester manuellement plusieurs modèles d’électrodes. Cette approche devrait permettre d’identifier la structure optimale de l’électrode, contribuant ainsi au développement de batteries capables de se recharger plus rapidement tout en conservant une durée de vie plus longue.
« Cette recherche est importante dans la mesure où elle a utilisé un jumeau numérique 3D pour mettre au jour des problèmes internes à la batterie qui étaient difficiles à détecter en se basant uniquement sur les performances globales de charge », a déclaré le professeur Lee. Il a ajouté qu'un agencement adéquat du liant et de l'espace poreux à l'intérieur de l'électrode pourrait aider à concevoir des batteries capables de stocker plus d'énergie tout en se chargeant plus rapidement et en ayant une durée de vie plus longue.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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